Модульная система электроснабжения космического аппарата с распределённым управлением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Севостьянов Никита Алексеевич

• Севостьянов Никита Алексеевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Севостьянов Никита Алексеевич

Введение

Глава 1 Аналитический обзор

1.1 Аналитический обзор конфигураций систем электроснабжения космических аппаратов

1.2 Аналитический обзор архитектур систем электроснабжения космических аппаратов

1.3 Аналитический обзор архитектур систем управления

модульными системами электроснабжения космических аппаратов

1.4 Аналитический обзор способов повышения качества напряжения в системах с электроснабжения с иерархической распределённой системой управления

1.5 Анализ требований к качеству напряжения общей шины системы электроснабжения космического аппарата

Выводы по главе

Глава 2 Синтез распределённой системы управления системой

электроснабжения космического аппарата

2.1 Описание модульной системы электроснабжения

2.2 Математические модели силовых модулей системы электроснабжения

2.2.1 Математическая модель силовой части силовых модулей аккумуляторных батарей

2.2.2 Математическая модель силовой части силовых модулей фотоэлектрических батарей

2.3 Синтез контуров регулирования выходных токов силовых модулей

2.3.1 Обобщённая математическая модель силовых модулей аккумуляторных и фотоэлектрических батарей с регулированием тока

2.3.2 Адаптивный коэффициент согласования уставок тока силовых модулей аккумуляторных батарей

2.4 Синтез контуров регулирования выходных напряжений силовых модулей

2.4.1 Динамические характеристики системы электроснабжения при регулировании с одной степенью свободы

2.4.2 Регулирование выходного напряжения силовых модулей с тремя степенями свободы

2.4.3 Частотно-избирательное подавление пульсаций напряжения и токораспределение

2.5 Синтез контура стабилизации напряжения общей шины

2.5.1 Синтез регулятора напряжения общей шины

2.5.2 Синтез наблюдателя напряжения общей шины

2.6 Методика расчёта распределённой системы управления

Выводы по главе

Глава 3 Экспериментальное исследование

3.1 Оборудование и параметры лабораторного стенда

3.2 Методы

3.3 Система электроснабжения с регулированием напряжения с

тремя степенями свободы

3.3.1 Эксперимент № 1.1. Частотные характеристики

3.3.2 Эксперимент № 1.2. Переходные процессы при воздействии непериодического тока нагрузки

3.3.3 Эксперимент № 1.3. Переходные процессы при воздействии периодического тока нагрузки

3.4 Система электроснабжения с частотно-избирательным

подавлением пульсаций напряжения

3.4.1 Эксперимент № 2.1. Частотные характеристики

3.4.2 Эксперимент № 2.2. Переходные процессы при воздействии непериодического тока нагрузки

3.4.3 Эксперимент № 3.3. Переходные процессы при воздействии периодического тока нагрузки

3.5 Анализ результатов экспериментов

Выводы по главе

Заключение

Словарь терминов

Список литературы

Приложение А Вывод математической линеаризованной модели неизолированного реверсивного двухтактного преобразователя в режиме разряда аккумуляторной батареи

Приложение Б Параметрический синтез регулятора мгновенного тока реактора силовых модулей аккумуляторных батарей

Приложение В Параметрический синтез регулятора среднего тока

реактора силовых модулей аккумуляторных батарей

Приложение Г Акты об использовании результатов диссертации и

свидетельства о регистрации программ для ЭВМ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модульная система электроснабжения космического аппарата с распределённым управлением»

Актуальность темы.

В настоящее время подход к неконвейерной сборке специализированных модулей для космических аппаратов (КА) по индивидуальным заказам оказывается малопродуктивным в условиях быстро растущего спроса на экономически эффективное производство множества КА разной мощности и функциональности. Необходим переход к серийному поточному производству, ставший в последние годы главной задачей ГК «Роскосмос». Эффективное поточное производство характеризуется гибким подходом к разработке с коротким сроком перепроектирования, прототипирования и испытания, для чего необходимо, чтобы все модули КА, включая систему электроснабжения (СЭС) и её подсистемы, были унифицированными, масштабируемыми и реконфигурируемыми.

Унификация и модификация цифровых систем управления централизованной архитектуры, используемых в современных СЭС КА, сложна из-за необходимости трудоёмких схемотехнических, конструктивных и параметрических изменений: перерасчёт параметров системы управления, изменение числа каналов связи согласно числу силовых модулей (СМ), способному достигать нескольких десятков, или реализация низкоскоростной полудуплексной или даже симплексной связи с мультиплексированием через общую магистраль. Такие меры снижают надёжность и быстродействие системы управления, а следовательно, и качество стабилизации напряжения. Удачной альтернативой может стать распределённая архитектура систем управления. Существующие подходы к проектированию таких систем обеспечивают общую работоспособность системы, однако не позволяют достичь характерного для бортовых систем КА высокого качества напряжения в условиях динамических нагрузок.

Проведение данного исследования обусловлено необходимостью повышения качества напряжения в СЭС КА с распределённой системой управления, что определило направление исследования, его цель и задачи.

Объект исследования - модульная СЭС КА постоянного тока с непрерывно стабилизируемой общей шиной и иерархической распределённой цифровой системой управления с кольцевой коммуникационной сетью.

Предмет исследования - связь структуры и параметров системы управления СЭС КА с формой и величиной модуля импеданса СМ и общей шины.

Степень разработанности темы.

Тематика управления модульными СЭС в последнее десятилетие стимулируется развитием СЭС с распределённой генерацией электроэнергии (microgrids). Большой вклад в исследование таких систем внесли В. Ф. Дмитриков, А. Г. Фи-шов, А. Ф. Пащенко, Ю. Н. Булатов, Frede Blaabjerg, Josep M. Guerrero, Tomislav Dragicevic, Miguel Castilla, Ali Davoudi. Исследовательский центр CROM (Дания) под руководством Josep M. Guerrero и Juan C. Vasquez - ведущий коллектив в этой области. Среди множества подходов к управлению СЭС с распределённой генерацией они предложили выделить один в качестве общепринятого - иерархическое управление с контролем статизма. На данный момент подход стандартизирован и широко применяется в СЭС как постоянного, так и переменного тока, потому и был взят за основу в диссертационной работе.

В ряду способов повышения качества напряжения в СЭС с иерархическим управлением можно выделить несколько наиболее эффективных и жизнеспособных: активные силовые фильтры постоянного тока (Dushan Boroyevich, США), концепция виртуального импеданса (Paolo Mattavelli, Италия), управление с полосно-заграждающими фильтрами (Yun Wei Li, Китай). Их основные недостатки - дополнительные аппаратные затраты и акцент на управлении СЭС, связанных с централизованной сетью (grid-connected microgrids).

Перечисленные недостатки исключают возможность применения таких способов в СЭС КА в силу строгих требований к массо-габаритным показателям и качеству напряжения при различных сценариях поведения нагрузки, характеризующихся пульсирующими токами любой частоты и токов полного или частичного отключения и включения нагрузок. СЭС КА также является автономной системой, несвязанной с централизованной сетью (islanded microgrid) ввиду её отсутствия. Возникает необходимость дальнейшей разработки данной темы в сторону повышения качества напряжения в условиях динамических нагрузок.

Цель исследования - улучшение динамических показателей качества стабилизации напряжения общей шины СЭС КА с иерархической распределённой системой управления путём её структурной и параметрической модификации.

Поставленная цель потребовала решить следующие задачи:

1. Проанализировать существующие требования к СЭС КА для установления ключевых характеристик, определяющих качество напряжения.

2. Исследовать динамические характеристики СЭС КА с иерархическим распределённым управлением при традиционной организации подсистем регули-

рования для выявления ограничений, не позволяющих удовлетворить требованиям к качеству напряжения.

3. Выполнить структурно-параметрическую модификацию системы иерархического распределённого управления СЭС КА с целью удовлетворения требованиям к качеству напряжения.

4. Экспериментально верифицировать разработанную модификацию.

Методология и методы исследования.

Математические модели СМ - непрерывные линеаризованные с запаздыванием регулирования (Small-Aliasing Approximation), получены методами усреднения и линеаризации в пространстве состояний. Модели регуляторов - непрерывные с последующей дискретизацией методом трапеций (Tustin's Method). Модели анализировались методами теории линейных стационарных систем с применением математического аппарата передаточных функций и частотных характеристик. Устойчивость определялась на основании критерия устойчивости Найквиста и им-педансного критерия устойчивости каскадных систем.

Научные положения верифицировались экспериментами на лабораторном стенде. Экспериментальные данные анализировались методами цифровой обработки сигналов в среде JupyterLab средствами библиотеки NumPy (Python). Символьные вычисления проводились в системе компьютерной алгебры SageMath.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Иерархическая распределённая система стабилизации напряжения общей шины СЭС КА при традиционной организации подсистем регулирования с одной степенью свободы (1-DOF) - ошибкой регулирования - неспособна обеспечить импеданс общей шины ниже общего коэффициента статизма. При этом в случае низкоимпедансной шины, применяемой в СЭС КА средней и большой мощности, требуемые показатели качества напряжения теоретически могут обеспечиваться только при недопустимо низком коэффициенте статизма, недостаточном для равномерного токораспределения между СМ.

2. В иерархической распределённой системе стабилизации напряжения СЭС КА задание ей разного быстродействия при регулировании выходного напряжения СМ и при контроле статизма с помощью регулирования с тремя степенями свободы (3-DOF) позволяет достичь импеданса общей шины СЭС КА ниже общего коэффициента статизма и таким образом установить компромисс между качеством напряжения и равномерностью токораспределения между СМ.

3. Введение обобщённого интегратора (резонансного звена) в состав регулятора выходного напряжения СМ позволяет уменьшить амплитуду пульсаций напряжения общей шины СЭС КА, порождаемых пульсирующим током нагрузки. Механизм уменьшения пульсаций основан на снижении модуля выходного импеданса СМ на собственной частоте обобщённого интегратора, обладающего на этой частоте теоретически бесконечным коэффициентом усиления.

4. Добавление к обобщённому интегратору отрицательной обратной связи с током нагрузки СМ позволяет регулировать величину модуля выходного импеданса СМ на собственной частоте интегратора и благодаря чему равномерно распределять гармонические составляющие тока между СМ, например, в пропорции их номинальных выходных мощностей. При реализации такой связи необходимо воспользоваться структурой многовходового обобщённого интегратора, в противном случае токовая связь исказит частотные характеристики выходного импеданса СМ вблизи собственной частоты интегратора, снизив общую устойчивость СЭС и возбудив нежелательные интергармонические колебания.

Научная новизна:

1. Впервые обнаружена причина низкого качества напряжения общей шины СЭС с иерархической распределённой системой управления с контролем статиз-ма, из-за которой невозможно обеспечить импеданс общей шины ниже общего коэффициента статизма - осуществление контроля статизма с помощью регулирования с одной степенью свободы - ошибкой регулирования.

2. Проведён параметрический синтез регулятора выходного напряжения СМ с тремя степенями свободы: уставка выходного напряжения, выходные ток и напряжение СМ - позволяющий задать разное быстродействие системы управления при регулировании выходного напряжения СМ и при контроле статизма, что позволяет обеспечить импеданс общей шины ниже общего коэффициента статиз-ма. Для лабораторной СЭС 100 В / 250 Вт удалось обеспечить импеданс общей шины ниже 0,18 Ом при общем коэффициенте статизма 0,5 Ом и заданной верхней границы импеданса 0,8 Ом.

3. Предложена структура многовходового обобщённого интегратора, особенностью которого является возможность индивидуального формирования фазового сдвига для каждого входного воздействия. Интегратор позволяет уменьшить пульсации напряжения, не искажая частотные характеристики системы вблизи собственной частоты, сохраняя устойчивость и не возбуждая интергармонические колебания. В эксперименте для лабораторной СЭС эффект снижения размаха

пульсаций напряжения составил 47% при воздействии тока нагрузки с пульсациями меандрической формы частоты 200 Гц и размаха 1 А.

4. Предложен алгоритм частотно-избирательного токораспределения, построенный на идее регулирования модуля выходного импеданса СМ на собственной частоте многовходового обобщённого интегратора дополнительной цепью отрицательной обратной связи с током нагрузки СМ. Способ позволяет распределить гармонические составляющие тока между СМ в заданной пропорции, снижая рассогласование нагрузки. В эксперименте для лабораторной СЭС гармонические составляющие тока нагрузки распределились между силовыми модулями в пропорции 1:1,98 с коэффициентом вариации 0,3% при заданной пропорции 1:2.

Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительной сходимостью полученных научных результатов с результатами физических экспериментов, проведённых на лабораторном стенде.

Теоретическая и практическая значимость:

1. Разработана методика параметрического синтеза иерархической распределённой системы управления СЭС с регулятором с тремя степенями свободы, позволяющая рассчитать параметры системы управления исходя из требований к верхней границе импеданса общей шины и запасам устойчивости, делая распределённое управление применимым к модульным СЭС КА, что может также положить начало освоению передовых архитектур, таких как многобортовые и пространственно распределённые СЭС.

2. Создана СЭС 100 В / 250 Вт, образованная двумя параллельно соединёнными по выходу на общей шине неизолированными нереверсивными двухтактными преобразователями, которая была использована в процессе экспериментальной верификации положений диссертации и может быть использована в дальнейших исследованиях.

3. Разработана программная реализация регулятора с тремя степенями свободы и многовходового обобщённого интегратора с использованием метода дискретизации по трапециям и алгоритма компенсационного суммирования Кэхэна, которая может быть использована в программном обеспечении микропроцессорных систем управления силовыми модулями СЭС КА.

Реализация научных результатов.

Результаты диссертационной работы использовались при выполнении:

1. Программы развития ФГБОУ ВО «НГТУ» на 2021-2030 гг. в рамках федеральной программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

2. ФЦП № 14.577.21.0198 «Разработка и исследование бортовой энергопре-образующей аппаратуры с микропроцессорной системой управления и мониторинга космических аппаратов систем связи, дистанционного зондирования Земли и геодезии» совместно с АО «РЕШЕТНЁВ».

3. Договора № 1825730101142217000241754/2430/21-ЕП-732/РМ «Рабочее место математического моделирования энергопреобразующей аппаратуры космических аппаратов» с АО «РЕШЕТНЁВ».

4. Гранта Президента РФ № МК-1676.2020.8 «Разработка адаптивных алгоритмов управления распределёнными энергосистемами с открытой архитектурой».

5. Гранта ФГБОУ ВО «НГТУ» № С21-21 «Синтез алгоритмов цифрового управления модульной системой электропитания космических аппаратов».

Результаты использовались при оказании консультационных услуг для АО «РЕШЕТНЁВ» (г. Железногорск, 2018 г.) по договору № ИСЭ-10-18 и в учебном процессе ФГБОУ ВО «НГТУ» при проведении лекционных, практических и лабораторных занятий по курсам ДПО для сотрудников ООО «АЕДОН» и ООО «КВ Системы» (г. Воронеж и г. Москва, 2021-2024 гг.):

1. Синтез микропроцессорных систем автоматического регулирования устройств силовой электроники.

2. Реализация встраиваемых систем управления вторичными источниками электропитания на базе микроконтроллеров реального времени.

3. Специальные алгоритмы управления преобразователями постоянного напряжения.

Апробация научных результатов.

Основные результаты работы обсуждались на научных семинарах кафедры электроники и электротехники ФГБОУ ВО «НГТУ» (г. Новосибирск, 2021, 2023, 2024 гг.), АО «РЕШЕТНЁВ» (г. Железногорск, 2021, 2023 гг.) и ФГБУН «ИПУ РАН» (г. Москва, 2022 г.); научном семинаре по проблемам авиационно-космической электроэнергетики имени академика В. С. Кулебакина (г. Москва, 2019, 2022 гг.); IEEE SCPES (г. Новосибирск, 2020-2021 гг.), а также докла-

дывались на международных конференциях IEEE ICDCM (г. Арлингтон, США, 2021 г.), IEEE ECCE-Asia (Сингапур, 2021 г.), IEEE EDM (г. Новосибирск, 20182021 гг.), Решетнёвские чтения (г. Красноярск, 2022 г.), Электронные средства и системы управления (г. Томск, 2021 г.) и всероссийской конференции Наука. Технологии. Инновации (г. Новосибирск, 2018-2020, 2023 гг.). Программный модуль измерения частотных характеристик (программа для ЭВМ № 2021665973) отмечен золотой медалью на XXV Международном салоне изобретений и инновационных технологий АРХИМЕД-2022.

Исследование отмечено стипендией Президента РФ молодым учёным и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениями модернизации российской экономики (20222024 гг.), премией мэрии г. Новосибирска в сфере науки и инноваций (2022 г.) и премией им. академика В. С. Кулебакина в области авиационной и космической электроэнергетики для молодых учёных (2022 г.).

Личный вклад.

Постановка задач исследования, формулирование научных положений и выводов, анализ и обобщение результатов осуществлялись автором совместно с научным руководителем С. А. Харитоновым и консультантом Р. Л. Горбуновым. Все теоретические и практические результаты работы получены, систематизированы и верифицированы автором лично.

Публикации.

Основные результаты по теме диссертации изложены в 15 печатных изданиях, 3 из которых опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК, 2 — в периодических научных журналах, индексируемых Web of Science и Scopus, 10 — в тезисах докладов. Зарегистрированы 3 программы для ЭВМ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка терминов, списка литературы и 4 приложений. Полный объём диссертации составляет 123 страницы, 39 рисунков и 2 таблицы. Список литературы содержит 131 наименование.

Глава 1 Аналитический обзор

Аналитическая часть диссертационной работы содержит ряд литературных обзоров, обосновывающих выбор цели, объекта, предмета и методов исследования. Важно сразу определить терминологию, используемую в диссертационной работе и в особенности в её аналитической части, для устранения разночтения.

В литературе часто отождествляют термины «архитектура» и «топология» СЭС КА, однако в данной работе они разграничиваются. «Топология» или «системная топология» определяет структуру и принципы функционирования каждого канала электроснабжения в отдельности: содержит ли канал фотоэлектрические (ФБ) и/или аккумуляторные (АБ) батареи, как организуются переходы между режимами работы СМ, реализуется ли СМ АБ в виде двухкомплектного или однокомплектного реверсивного преобразователя, в каких режимах стабилизируется напряжение общей шины. В работе термин «топология» уже используется как синоним схемы силовой части СМ, поэтому для описания каналов электроснабжения СЭС КА вместо него вводится понятие «конфигурация».

«Архитектура» описывает структуру и принципы функционирования уже всей СЭС КА как совокупности множества каналов электроснабжения: как соединены между собой каналы электроснабжения, как они конфигурируются, управляются ли общим модулем управления или распределённо, как информационно связаны между собой, интегрированы ли в едином приборе или пространственно распределены по конструкции КА.

В некоторых областях техники различают первичную (primary) и вторичную (secondary) СЭС [1; 2]: первичная СЭС преобразует энергию первичных источников в напряжение общей шины, а вторичная СЭС преобразует и распределяет электроэнергию от общей шины до бортовой аппаратуры (БА). В данной работе под СЭС КА подразумевается именно первичная СЭС КА, тогда как вторичная СЭС рассматривается как нагрузка для первичной и не является объектом исследования. Для описания вторичной СЭС КА используется термин «система распределения электроэнергии» (power distribution system).

1.1 Аналитический обзор конфигураций систем электроснабжения

космических аппаратов

Исторически выделялись две конфигурации СЭС КА: S3R (Sequential Switching Shunt Regulator) [3] и S4R (Sequential Switching Shunt Series Regulator) [4], - однако с ростом исследовательского интереса к этой области (см. рисунок 1.1), а особенно с появлением в 1999 г. и популяризацией открытого формата малых КА CubeSat [5] среди университетских сообществ, количество конфигураций и их классификаций также возросло.

а 650. 6005509" 5005 450-v|400-* 350-

з 300 ■ М 250-

§>200-

« 150-

S юо-

§ 500-

OCN^<X)OOOCN^<X)OOOCN^<X)OOOCN CTICTICTICTICTIOOOOO'—I N N

<n<n<n<n<noooooooooooo

rtrHrHrtrtNNNNNNNNNNNN

Год

Рисунок 1.1 — Количество публикаций по годам на основе запроса «spacecraft|satellite|cubesat

"electrical power system"» в Google Scholar

Среди всех исследований можно выделить наиболее часто встречаемый критерий классификации конфигураций, помимо типа первичного источника энергии - по принципу стабилизации напряжения общей шины [6—10]:

- нестабилизируемая шина (unregulated bus): напряжение не стабилизируется и определяется напряжением АБ при нахождении в тени Земли или напряжением ФБ при работе КА от Солнца;

- прерывисто стабилизируемая шина (partially, semi- или quasi-regulated bus): напряжение стабилизируется только в режиме снятия энергии с ФБ или только в режиме разряда и/или заряда АБ;

- непрерывно стабилизируемая шина (fully regulated bus): напряжение стабилизируется во всех режимах (сюда же относятся конфигурации S3R и S4R).

Стабилизация напряжения общей шины требует применения соответствующих СМ для преобразования энергии ФБ и заряда/разряда АБ. Для маломощных

Появление спецификации CubeSat в 1999 г.

низкоорбитальных КА часто их миниатюризация и удешевление при проектировании имеют приоритет выше, чем обеспечение высокого качества напряжения, поэтому исключение одного или обоих комплектов СМ АБ и/или СМ ФБ и использование нестабилизируемой или прерывисто стабилизируемой шины в отдельных случаях может оказаться эффективным решением [11].

Для относительно мощных КА, эксплуатирующихся на орбитах выше низкой околоземной, применяется конфигурация с непрерывно стабилизируемой общей шиной. Часто это вызвано строгими требованиями к качеству напряжения научной и телекоммуникационной БА КА, однако и с точки зрения высоких КПД и массо-габаритных показателей такая конфигурация является оптимальной [9; 12]. С ростом мощности и разнообразия БА её входные интерфейсные СМ и фильтры вместе с ФБ и АБ по массе и объёму начинают доминировать над СМ в составе СЭС КА, при этом СМ БА с сильно варьирующимся входным напряжением имеют КПД ниже [6] и большие параметры входных фильтров [13—15], чем при работе от стабилизированного напряжения. Непрерывная стабилизация напряжения позволяет также в некоторых случаях вовсе отказаться от применения СМ БА, используя только входные фильтры [15]. Всё это вынуждает стабилизировать напряжение общей шины во всех режимах и повышать эффективность преобразования энергии в СМ АБ и СМ ФБ.

В СЭС КА также может быть реализован алгоритм отслеживания точки максимальной мощности ФБ (maximum power point tracking) [16], однако сравнения показывают, что эффект от него неоднозначный [8; 10], учитывая что секции ФБ обычно проектируются так, чтобы их точка максимальной мощности располагалась на номинальном напряжении общей шины [9]. Тем не менее применение такого алгоритма часто является критерием классификации наряду с принципом стабилизации напряжения общей шины.

Таким образом, СЭС КА с непрерывно стабилизируемой общей шиной -наиболее эффективная и широко применяемая конфигурация, позволяющая достигать высоких массо-габаритных показателей.

1.2 Аналитический обзор архитектур систем электроснабжения

космических аппаратов

Из общего числа архитектур СЭС КА можно выделить две наиболее универсальные и широко применяемые [17; 18]: интегральную и модульную.

При интегральной или централизованной архитектуре СЭС представляет собой конструктивно и функционально обособленный комплекс силовой и слаботочной электроники и первичных источников энергии, выполняемый в форм-факторе единого прибора (рисунок 1.2, а). В космической отрасли на сегодняшний день интегральная архитектура применяется повсеместно как в маломощных низкоорбитальных КА, так и больших КА [19—21].

Интегральные СЭС КА просты в управлении и проектировании, но обладают множеством недостатков [22; 23]:

- неустойчивы к каскадному отказу при отсутствии резервирования;

- плохо масштабируются и реконфигурируются и зачастую перепроектируются индивидуально под каждый КА;

- трудно декомпозируются на сборочные единицы для организации серийного производства;

- обладают низкой электромагнитной совместимостью из-за протяжённой бортовой кабельной сети (БКС) от СЭС до БА;

- концентрируют тепловую нагрузку на систему терморегулирования КА в одном месте, что усложняет теплоотвод.

О Канал электроснабжения с АБ О Канал электроснабжения с ФБ О Канал электропотребления — БКС

Рисунок 1.2 — СЭС КА: а) интегральная, б) модульная многобортовая, в) модульная пространственно распределённая

Модульная, распределённая или многоканальная СЭС КА состоит из отдельных унифицированных СМ [17; 24], вместе со своими первичными источниками энергии формирующих каналы электроснабжения, в общем случае различающихся мощностью, конфигурацией и расположением в корпусе КА. В отличие от интегральных, модульные СЭС КА:

- устойчивы к каскадному отказу при отсутствии резервирования;

- просто масштабируются, реконфигурируются и декомпозируются на сборочные единицы для серийного производства, в том числе в форм-факторе гибридных интегральных схем;

- обладают повышенной электромагнитной совместимостью благодаря минимизации связей БКС между СЭС и БА;

- распределяют тепловую нагрузку на систему терморегулирования КА, что упрощает теплоотвод;

- позволяют более гибко реализовать систему распределения электроэнергии, в том числе с применением матричного коммутатора [25];

- позволяют реализовать многобортовые (рисунок 1.2, б) или пространственно распределённые СЭС (рисунок 1.2, в).

По существу модульная архитектура соотносится с крайне популярной в последнее десятилетие концепцией относительно маломощных СЭС с распределённой генерацией электроэнергии - «microgrids» [26]. Идея построения СЭС КА модульной архитектуры находит отклик во многих исследованиях последних лет и воплотилась в самобытном понятии «space microgrids» [27—29].

Тенденция к модуляризации космических платформ не обошла стороной и Россию и выразилась в работах по созданию интегрированной бортовой информационной системы (ОКР «ИБИС-КА-НКУ») [30], в том числе и унифицированной СЭС КА [31] (СЧ ОКР «ИБИС-КА-СЭП-ИСС»), в разработке модульных космических платформ [32], в проведении НИР «Типоряд» [33], в создании дизайн-центра проектирования и производства гибридных микросборок энергопреобразующей аппаратуры для аэрокосмического применения [34] и др.

Несмотря на множество преимуществ модульной архитектуры, она не лишена и некоторых недостатков:

- менее защищена от кибератак [35—37], в том числе неустойчива к «византийскому» отказу [38]: необходимо управление на основе консенсуса и применение шифрованных каналов связи, особенно при использовании беспроводных технологий связи [39];

- необходима переработка архитектуры системы управления СЭС КА и применение специальных алгоритмов управления для равномерного токораспре-деления между СМ [40].

1.3 Аналитический обзор архитектур систем управления модульными системами электроснабжения космических аппаратов

В традиционной централизованной системе управления (рисунок 1.3, а) все управляющие сигналы и команды для СМ формируются центральным модулем управления, стабилизирующим напряжение общей шины. В такой архитектуре от центрального модуля до управляемых СМ используется M (kрез + 1) каналов связи в виде линий связи и полнодуплексных приёмопередатчиков, где M - общее число СМ, k^ - кратность резерва [41] одного канала связи. Центральный модуль необходимо проектировать с запасом на максимальное число СМ, поскольку его индивидуальное перепроектирование под каждый новый КА аннулирует преимущества его серийного производства. Даже при небольшом числе СМ M = 7 и полном дублировании каналов связи, k^ = 1/ 1, понадобится 14 надёжных высокоскоростных полнодуплексных каналов связи. Поддержка столь большого числа каналов практически нереализуема даже на конфигурируемых интегральных схемах (ПЛИС, ASIC).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Севостьянов Никита Алексеевич, 2024 год

Список литературы

1. ГОСТ Р 54073-2017 Системы электроснабжения самолетов и вертолетов. Общие требования и нормы качества электроэнергии [Текст]. — М. : Стан-дартинформ, 2018. — 39 с.

2. A Comprehensive Review on Small Satellite Microgrids [Text] / M. Yaqoob [et al.] // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2022. — Vol. 37, no. 10. — P. 12741-12762.

3. O'Sullivan, D. The Sequential Switching Regulator S3R [Text] / D. O'Sullivan, A. Weinberg // Proceedings of 3rd ESTEC Spacecraft Power Conditioning Seminar. — 1977.

4. Perol, P. Power system architecture for regulated bus with battery below bus [Text] / P. Perol, D. Olsson, J. Haines // ESA/PAT/412. — 1998.

5. CubeSat Design Specification [Text]. — San Luis Obispo : Cal Poly, 2022. — 34 p.

6. Capel, A. Influence of the bus regulation on telecommunication spacecraft power system and distribution [Text] / A. Capel, D. O'Sullivan // IEEE Power Electronics Specialists Conference. — 06/1985.

7. A Comprehensive Review on CubeSat Electrical Power System Architectures [Text] / A. Edpuganti [et al.] // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2022.— Vol. 37, no. 3. — P. 3161—3177.

8. Shekoofa, O. Comparing the topologies of satellite electrical power subsystem based on system level specifications [Text] / O. Shekoofa, E. Kosari // 6th International Conference on Recent Advances in Space Technologies (RAST). — 06/2013.-P. 671-675.

9. Magalhaes, R. O. Space Power Topology Selection and its System Level Modeling and Control [Text] / R. O. Magalhaes, H. J. P. Moreira // Journal of Aerospace Technology and Management. — 2020. — Vol. 12. — P. 1—18.

10. Hong-yu, Z. Overview of Architectures for Satellite's Regulated Bus Power System [Text] / Z. Hong-yu, Z. Bo-wen, Z. Dong-lai // IEEE 1st China International Youth Conference on Electrical Engineering (CIYCEE). — 2020. — P. 1—8.

11. Capel, A. Comparative performance evaluation between the S4R and the S3R regulated bus topologies [Text] / A. Capel, P. Perol // IEEE 32nd Annual Power Electronics Specialists Conference. Vol. 4. — 06/2001. — P. 1963—1969.

12. O'Sullivan, D. Satellite power system topologies [Text] / D. O'Sullivan // ESA Journal. — 1989. — Vol. 13, no. 2. — P. 77—88.

13. Системы подчинённого регулирования электроприводов [Текст] / Б. П. Со-устин [и др.]. — Новосибирск : ВО «Наука», 1994. — 318 с.

14. Иванчура, В. И. Методика оценки устойчивости автономной системы электроснабжения с импульсными стабилизаторами [Текст] / В. И. Иванчура, Ю. В. Краснобаев, И. Н. Пожаркова // Электрика. — 2004. — Т. 9. — С. 24-27.

15. Пожаркова, И. Н. Формирование требований к выходному импедансу систем электропитания космических аппаратов : дис. ... канд. техн. наук : 05.09.03 [Текст] / И. Н. Пожаркова. — Красноярск, 04.2009.

16. Tonicello, F. Maximum Point Power Tracker Approach to a Regulated Bus [Text] / F. Tonicello, S. Vazquez del Real // 5th European Space Power Conference (ESPC). - 06/1998. - P. 71-77.

17. A Modular Electrical Power System Architecture for Small Spacecraft [Text] / T. M. Lim [et al.] // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. — 2018. - Vol. 54, no. 4. - P. 1832-1849.

18. State-of-the-Art: Small Spacecraft Technology [Text] : tech. rep. / NASA/Ames Research Center. — Moffett Field, California, 01/2022.

19. Burt, R. Distributed Electrical Power Systems in CubeSat Applications [Text] : Master's thesis / Burt R. — Logan : Utah State University, 2011.

20. Notani, S.A. Development of Distributed, Scalable and Flexible Electrical Power System Module for CubeSat and Small Satellites [Text] : Master's thesis / Notani S. A. — Raleigh : NC State University, 2011.

21. Strain, A. User Manual: CubeSat 1U Electronic Power System and Battaries: CS-1UEPS2-NB/-10/-20 [Text] / A. Strain ; Clyde Space. - Glasgow, 07/2010.

22. Marchetti, R. Power: Centralized or Distributed? [Text] / R. Marchetti // RTC. — 1999.

23. Hilbert, A. Power Distribution Architectures: The Evolution Continues [Text] / A. Hilbert // Technology In Context. —

24. Advanced Modular Power Systems (AMPS) - NASA [Electronic Resource]. — 2011. — URL: https://techport.nasa.gov/view/10759 (visited on 01/30/2024).

25. Fault reconstruction method of high redundancy satellite power distribution unit [Text] / Z. Ye [et al.] // IET Power Electronics. — 2023. — Vol. 16, no. 8. -P. 1443—1454.

26. Lasseter, B. Microgrids [Text] / B. Lasseter // IEEE Power Engineering Society Winter Meeting. Conference Proceedings. — 01/2002. — P. 146—149.

27. Design of Space Microgrid for Manned Lunar Base: Spinning-in Terrestrial Technologies [Text] / A. D. Bintoudi [et al.] // European Space Power Conference (ESPC). - 09/2019. - P. 1-8.

28. Space Microgrids: New Concepts on Electric Power Systems for Satellites [Text] / A. Lashab [et al.] // IEEE Electrification Magazine. — 2020. — Vol. 8, no. 4. — P. 8—19.

29. Space Microgrids for Future Manned Lunar Bases: A Review [Text] / D. Saha [et al.] // IEEE Open Access Journal of Power and Energy. — 2021. — Vol. 8. — P. 570-583.

30. Техническое задание на составную часть опытно-конструкторской работы «Разработка и создание линейки унифицированных интегрированных бортовых информационных систем для модернизируемых и перспективных космических аппаратов» : ИБИС-КА-НКУ (КА) [Текст] / ГК «Роскос-мос». — 2016.

31. Оптимально для будущего: предприятие совершенствует систему электропитания спутников [Текст] // Сибирский спутник. — 2021. — Т. 14, № 522.

32. Новая российская модульная платформа для малоразмерных космических аппаратов успешно испытана на орбите Земли [Электронный ресурс]. — 2018. — URL: https://russianspacesystems.ru/2018/01/22/novaya-rossiyskaya-modulnaya-platforma/ (дата обр. 06.01.2024).

33. Гендиректор ИСС Решетнева: мы разрабатываем пять спутниковых группировок для "Сферы" [Электронный ресурс]. — 2022. — URL: https://tass. ru/interviews/16292261 (дата обр. 06.01.2024).

34. НГТУ. Силовая электроника и интеллектуальная энергетика [Электронный ресурс]. — 2021. — URL: https://nstu.ru/prioritet2030/Electronics_energy (дата обр. 28.01.2024).

35. Rana, M. M. Cyber attack protection and control of microgrids [Text] / M. M. Rana, L. Li, S. W. Su // IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica. — 2018. — Vol. 5, no. 2. — P. 602—609.

36. Cybersecurity of Networked Microgrids: Challenges, Potential Solutions, and Future Directions [Text] : tech. rep. / S. Hossain-McKenzie [et al.] ; Sandia National Laboratories. — Albuquerque, New Mexico, 2020. — Tech. report for the United States Department of Energy.

37. Musleh, A. S. A Survey on the Detection Algorithms for False Data Injection Attacks in Smart Grids [Text] / A. S. Musleh, G. Chen, Z. Y. Dong // IEEE Transactions on Smart Grid. — 2020. — Vol. 11, no. 3. — P. 2218—2234.

38. SIFT: design and analysis of a fault-tolerant computer for aircraft control [Text] / J. H. Wenslfy [et al.] // Microelectronics Reliability. — 1979. — Vol. 19, no. 3. — P. 190.

39. Российская электронная компонентная база, текущее состояние и перспективные направления развития. Производственные цепочки : доклад Д. В. Дымова [Электронный ресурс]. — 2023. — URL: https://leader-id.ru/events/ 427364 (дата обр. 29.01.2024).

40. Advanced Control Architectures for Intelligent Microgrids—Part I: Decentralized and Hierarchical Control [Text] / J. M. Guerrero [et al.] // IEEE Transactions on Industrial Electronics. — 2013. — Vol. 60, no. 4. — P. 1254—1262.

41. ГОСТ Р 27.102-2021 Надежность в технике. Надежность объекта. Термины и определения [Текст]. — М. : Стандартинформ, 2022. — 46 с.

42. Russel, J. Time-Division Multiplexing [Text] / J. Russel, R. Cohn. — Book on Demand, 2012. — 90 p.

43. Spragins, J. Data Communications: From Basics to Broadband [Text] / J. Spra-gins. — 4th ed. — Pearson, 2004. — P. 400.

44. Shahgholian, G. A brief review on microgrids: Operation, applications, modeling, and control [Text] / G. Shahgholian // International Transactions on Electrical Energy Systems. — 2020. — Vol. 31, no. 6. — P. 1—28.

45. A Review of DC Microgrid Energy Management Systems Dedicated to Residential Applications [Text] / S. Ali [et al.] // Energies. — 2021. — Vol. 14, no. 14. — P. 1-26.

46. Review of Energy Storage and Energy Management System Control Strategies in Microgrids [Text] / G. Chaudhary [et al.] // Energies. — 2021. — Vol. 14, no. 14. — P. 1—27.

47. Bharath, K. R. A Review on DC Microgrid Control Techniques, Applications and Trends [Text] / K. R. Bharath, M. M. Krishnan, P. Kanakasabapathy // International Journal of Renewable Energy Research. — 2019. — Vol. 9, no. 3. — P. 1-11.

48. Hierarchical Control of Droop-Controlled AC and DC Microgrids—A General Approach Toward Standardization [Text] / J. M. Guerrero [et al.] // IEEE Transactions on Industrial Electronics. — 2011. — Vol. 58, no. 1. — P. 158—172.

49. Redl, R. Optimizing the load transient response of the buck converter [Text] / R. Redl, B. P. Erisman, Z. Zansky//APEC '98 Thirteenth Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition. Vol. 1. — 1998. — P. 170—176.

50. Stability Enhancement Based on Virtual Impedance for DC Microgrids With Constant Power Loads [Text] / X. Lu [et al.] // IEEE Transactions on Smart Grid. — 2015. — Vol. 6, no. 6. — P. 2770—2783.

51. Tu, H. Impact of Virtual Inertia on DC Grid Stability With Constant Power Loads [Text] / H. Tu, H. Yu, S. Lukic // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2015. - Vol. 38, no. 5. - P. 5693-5699.

52. Sekhar, P. C. Voltage Ripple Mitigation in DC Microgrid with Constant Power Loads [Text] /P. C. Sekhar, U. V. Krishna//IFAC-PapersOnLine. — 10/2019. — P. 1-6.

53. An Improved Droop Control Method for DC Microgrids Based on Low Bandwidth Communication With DC Bus Voltage Restoration and Enhanced Current Sharing Accuracy [Text] / X. Lu [et al.] // IEEE Transactions on Power Electronics. - 2014. - Vol. 29, no. 4. - P. 1800-1812.

54. A Low-pass Filter Method to Suppress the Voltage Variations Caused by Introducing Droop Control in DC Microgrids [Text] / F. Li [et al.] // IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE). — 2018. — P. 1151—1155.

55. Liu, G. Resistive-Capacitive Output Impedance Shaping for Droop-Controlled Converters in DC Microgrids with Reduced Output Capacitance [Text] / G. Liu, P. Mattavelli, S. Saggini // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2019. — Vol. 35, no. 3.-P. 6501-6511.

56. Кабиров, В. А. Энергопреобразующий комплекс с резервированной цифровой системой управления для высоковольтных систем электропитания космических аппаратов : дис. ... канд. техн. наук : 2.4.2 [Текст] / В. А. Кабиров. — Томск, 2023.

57. ECSS-E-ST-20C Space engineering: Electrical and electronic [Text]. — Noord-wijk : ESA Requirements, Standards Division ESTEC, 2019. — 147 p.

58. International Space Power System Interoperability Standards (ISPSIS) [Text]. — NASA, 2022. — 92 p.

59. JERG-2-200-TP001. Template for Electrical Design Criteria for Scientific Spacecraft [Text]. — Ibaraki : JAXA, 2017. — 101 p.

60. Distributed Cooperative Control of DC Microgrids [Text] / V. Nasirian [et al.] // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2015. — Vol. 30, no. 4. — P. 2288—2303.

61. Trends in Microgrid Control [Text] / D. E. Olivares [et al.] // IEEE Transactions on Smart Grid. — 2014. — Vol. 5, no. 4. — P. 1905—1919.

62. Bidram, A. Hierarchical Structure of Microgrids Control System [Text] / A. Bidram, A. Davoudi // IEEE Transactions on Smart Grid. — 2012. — Vol. 3, no. 4.— P. 1963—1976.

63. Yazdanian, M. Distributed Control Techniques in Microgrids [Text] / M. Yazda-nian, A. Mehrizi-Sani // IEEE Transactions on Smart Grid. — 2014. — Vol. 5, no. 6.-P. 2901-2909.

64. IEEE 2030.7-2017 Standard for the Specification of Microgrid Controllers [Text]. —IEEE, 2017.

65. Yao, K. Critical bandwidth for the load transient response of voltage regulator modules [Text] / K. Yao, Y. Ren, F. C. Lee // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2004. — Vol. 19, no. 6. — P. 1454—1461.

66. Sekhar, P. C. Voltage Ripple Mitigation in DC Microgrid with Constant Power Loads [Text] / P. C. Sekhar, U. V. Krishna // IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE). — 2019. — Vol. 52, no. 4. — P. 300—305.

67. An Active Low-Frequency Ripple Control Method Based on the Virtual Capacitor Concept for BIPV Systems [Text] / W. Cai [et al.] // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2014. — Vol. 29, no. 4. — P. 1733—1745.

68. Communication-Free Pulsed Power Distribution and Tracking Method for Hybrid Energy Storage System Based on Active Disturbance Rejection Control [Text] / L. Deng [et al.] // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2024. — Vol. 39, no. 3. - P. 3024-3036.

69. Wang, H. Use of a Series Voltage Compensator for Reduction of the DC-Link Capacitance in a Capacitor-Supported System [Text] / H. Wang, H. S.-H. Chung, W. Liu // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2014. — Vol. 29, no. 3. — P. 1163-1175.

70. Model Predictive Control for Dual-Active-Bridge Converters Supplying Pulsed Power Loads in Naval DC Micro-Grids [Text] / L. Chen [et al.] // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2020. — Vol. 35, no. 2. — P. 1957—1966.

71. Tian, H. Virtual Resistor Based Second-Order Ripple Sharing Control for Distributed Bidirectional DC-DC Converters in Hybrid AC-DC Microgrid [Text] / H. Tian, Y. Li // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2021. — Vol. 36, no. 2. — P. 2258—2269.

72. Sevostyanov, N. A. Control Strategy to Mitigate Voltage Ripples in Droop-Controlled DC Microgrids [Text] / N. A. Sevostyanov, R. L. Goburnov // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2023. — Vol. 38, no. 12. — P. 15377-15389.

73. Stability Analysis and Damping Enhancement Based on Frequency-Dependent Virtual Impedance for DC Microgrids [Text] / L. Guo [et al.] // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. — 2017. — Vol. 5, no. 1. — P. 338-350.

74. Sun, J. Dynamic Performance Analyses of Current Sharing Control for DC/DC Converters [Text] : PhD thesis / Sun J. — Virginia Polytechnic Institute, State University, 06/2007.

75. Design considerations for VRM transient response based on the output impedance [Text] / K. Yao [et al.] // APEC. Seventeenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (Cat. No.02CH37335). Vol. 1.-2002.-P. 14-20.

76. Modeling and Design for a Novel Adaptive Voltage Positioning (AVP) Scheme for Multiphase VRMs [Text] / M. Lee [et al.] // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2008. — Vol. 23, no. 4. — P. 1733—1742.

77. Control Design for Multiphase Synchronous Buck Converters Based on Exact Constant Resistive Output Impedance [Text] / A. Borrell [et al.] // IEEE Transactions on Industrial Electronics. — 2013. — Vol. 60, no. 11. — P. 4920—4929.

78. Admittance-type RC-mode droop control to introduce virtual inertia in DC microgrids [Text] / Z. Jin [et al.] // 2017 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE). — 2017. — P. 4107—4112.

79. Unamuno, E. Design and small-signal stability analysis of a virtual-capacitor control for DC microgrids [Text] / E. Unamuno, J. A. Barrena // 19th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'17 ECCE Europe). — 2017.-P. 1-10.

80. Gu, Y. Frequency-Coordinating Virtual Impedance for Autonomous Power Management of DC Microgrid [Text] / Y. Gu, W. Li, X. He // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2015. — Vol. 30, no. 4. — P. 2328—2337.

81. An Integral Droop for Transient Power Allocation and Output Impedance Shaping of Hybrid Energy Storage System in DC Microgrid [Text] / P. Lin [et al.] // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2018. — Vol. 33, no. 7. — P. 6262—6277.

82. Middlebrook, R. D. Input Filter Considerations in Design and Application of Switching Regulators [Text] / R. D. Middlebrook // IEEE Industry Applications Society Annual Meeting. — 1976. — P. 366—382.

83. Пожаркова, И. Методика формирования требований к выходному импедансу систем электропитания космических аппаратов [Текст] / И. Пожар-кова, Д. В. Капулин // Aвиакосмическое приборостроение. — 2011. — Т. 5. — С. 12-16.

84. Capel, A. High-Power Conditioning for Space Applications [Text] / A. Capel, D. O'Sullivan, J.-C. Marpinard // Proceedings of the IEEE. — 1988. — Vol. 76, no. 4.

85. Middlebrook, R. D. A General Unified Approach to Modelling Switching-Converter Power Stages [Text] / R. D. Middlebrook, S. Cuk// IEEE Power Electronics Specialists Conference. — 06/1976. — P. 18—34.

86. Wester, G. W. Low-Frequency Characterization of Switched dc-dc Converters [Text] / G. W. Wester, R. D. Middlebrook // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. — 1973. — Vol. 9, no. 3. — P. 376—385.

87. Cuk, S. Modling, Analysis and Design of Switching Converters [Text] : PhD thesis / Cuk S. — California Institute of Technology, 11/1976.

88. Erickson, R. W. Fundamentals of Power Electronics [Text] / R. W. Erickson, D. Maksimovic. — Cham : Springer, 2020. — 1084 p.

89. White, I. R. Design and Development of a Sequential Shunt Regulator [Text] / I. R. White // Proceedings of 3rd ESTEC Spacecraft Power Conditioning Seminar. — 1977.

90. Deisch, C. W. Simple Switching Control Method Changes Power Converter into a Current Source [Text] / C. W. Deisch // IEEE Power Electronics Specialists Conference. - 06/1978. - P. 300-306.

91. Modeling and Analysis of Power Processing Systems (MAPPS) [Text] : tech. rep. / F. C. Lee [et al.] ; NASA/Lewis Research Center. — 12/1980. — No. 1.

92. Lee, F. C. Analysis and Design of a High Power, Digitally-Controlled Spacecraft Power System [Text]: tech. rep. / F. C. Lee, B. H. Cho ; Virginia Power Electronics Center. — Greenbelt, Maryland, 05/1990. — Tech. report for NASA/Goddard Space Flight Center.

93. Decker, D. K. Operation of High Power Converters in Parallel [Text]: tech. rep. / D. K. Decker, L. Y. Inouye ; TRW Space Systems Group. — Redondo Beach, California, 1993. — Tech. report for NASA/Lewis Research Center.

94. Predictive digital current programmed control [Text] / J. Chen [et al.] // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2003. — Vol. 18, no. 1. — P. 411—419.

95. Sevostyanov, N. A. Predictive Digital Current Programmed Control with Load Current Compensation for DC-DC Converters [Text] / N. A. Sevostyanov, R. L. Gorbunov // Proceedings - International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM). — 2020.

96. Digital Control of High-Frequency Switched-Mode Power Converters [Text] / L. Corradini [et al.]. — New Jersey : Wiley & Sons, Inc, 2015. — 338 p.

97. Sevostyanov, N. A. An Improved Droop-Control Strategy to Provide Flat Output Impedance of Power Converters in DC Microgrids [Text] / N. A. Sevostyanov, R. L. Gorbunov // Proceedings - International Conference on DC Microgrids (ICDCM). — 2021.

98. Johansson, B. Analysis of DC-DC converters with current-mode control and resistive load when using load current measurements for control [Text] / B. Johansson // IEEE 33rd Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference. — 06/2002.-P. 165-172.

99. Horowitz, I. M. Synthesis of Feedback Systems [Text] /1. M. Horowitz. — Amsterdam : Elsevier, 1963. — 740 p.

100. Spanos, D. Dynamic Consensus for Mobile Networks [Text] / D. Spanos, R. Olfati-Saber, R. Murray // IFAC World Congress. — 2005. — P. 1—6.

101. Бессонов, Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи : учебник [Текст] / Л. А. Бессонов. — М. : Гардарики, 2007. — 701 с.

102. Araki, M. PID Control System with Reference Feedforward (PID-FF Control System) [Text] / M. Araki // Proc. 23rd SICE (Society of Instrument and Control Engineers) Annual Conference. — 1984. — P. 31—32.

103. Севостьянов, Н. А. Двукратное регулирование напряжения в системе электроснабжения космического аппарата с цифровой системой управления [Текст] / Н. А. Севостьянов, Р. Л. Горбунов // Сборник трудов конференции - Решетнёвские чтения. — 2022.

104. Севостьянов, Н. А. Иерархическое распределённое управление модульной системой электроснабжения космического аппарата [Текст] / Н. А. Севостьянов, С. А. Харитонов // Электротехника. — 2024. — Т. 2. — С. 48—59.

105. Sevostyanov, N.A. Hierarchical Distributed Control of Modular Spacecraft Electrical Power System [Text] / N. A. Sevostyanov, S. A. Kharitonov // Russian Electrical Engineering. — 2024. — Vol. 95. — P. 141—151.

106. Gu, B.-G. A DC-link capacitor minimization method through direct capacitor current control [Text] / B.-G. Gu, K. Nam // IEEE Transactions on Industry Applications. — 2006. — Vol. 42, no. 2. — P. 573—581.

107. Штейнер, Р. Т. Системы подчинённого регулирования электроприводов [Текст] / Р. Т. Штейнер. — Екатеринбург : Урал, 1997. — 279 с.

108. Севостьянов, Н. А. Синтез системы управления параллельными преобразователями постоянного напряжения с монотонными переходными процессами [Текст] / Н. А. Севостьянов, Р. Л. Горбунов, И. В. Александров // Сборник трудов конференции - Электронные средства и системы управления. — 2021.

109. Севостьянов, Н. А. Система управления силовыми преобразователями в составе автономного электроагрегата постоянного тока [Текст] / Н. А. Севостьянов, Д. А. Штейн, Д. А. Курочкин // Электропитание. — 2021. — Т. 4. — С. 4-16.

110. Sevostyanov, N. A. Current Sharing in Decentralized DC Microgrids with Frequency-Selective Impedance Control [Text] / N. A. Sevostyanov, R. L. Gor-bunov // Proceedings - Energy Conversion Congress and Exposition - Asia (ECCE Asia). —2021.

111. Stationary-frame generalized integrators for current control of active power filters with zero steady-state error for current harmonics of concern under unbalanced and distorted operating conditions [Text] / X. Yuan [et al.] // IEEE Transactions on Industry Applications. — 2002. — Vol. 38, no. 2. — P. 523—532.

112. Re-Investigation of Generalized Integrator Based Filters From a First-OrderSystem Perspective [Text] / Z. Xin [et al.] // IEEE Access. — 2016. — Vol. 4. — P. 7131—7144.

113. Gorbunov, R. L. Frequency-Selective Impedance Control for DC Microgrids [Text] / R. L. Gorbunov, N. A. Sevostyanov, D. A. Shtein// Proceedings - International Ural Conference on Electrical Power Engineerings (UralCon). — 2020.

114. Analysis and Design of Resonant Current Controllers for Voltage-Source Converters by Means of Nyquist Diagrams and Sensitivity Function [Text] / A. G. Yepes [et al.] // IEEE Transactions on Industrial Electronics. — 2011. — Vol. 58, no. 11. — P. 5231—5250.

115. Current control strategy for power conditioners using sinusoidal signal integrators in synchronous reference frame [Text] / R. I. Bojoi [et al.] // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2005. — Vol. 20, no. 6. — P. 1402—1412.

116. Sevostyanov, N. A. Resonant Controllers Design for Frequency-Selective Impedance Controlled DC Microgrids [Text] / N. A. Sevostyanov, R. L. Gor-bunov // Proceedings - International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM). — 2021.

117. Goodwin, G. C. Control System Design [Text] / G. C. Goodwin, S. F. Graebe, M. E. Salgado. — New Jersey : Prentice Hall, 2001. — 908 p.

118. Äström, K. J. Feedback Systems: An Introduction for Scientists and Engineers [Text] / K. J. Äström, R. M. Murray. — Oxford, UK : Princeton University Press, 2020. — 528 p.

119. Бесекерский, В. А. Теория систем автоматического управления [Текст] / В. А. Бесекерский, Е. П. Попов. — СПб : Профессия, 2003. — 752 с.

120. DCM Design Guide [Text] / Vicor Corp. — 3rd ed. — Andover, 08/2019.

121. Ridley Engineering | - Design Center [Electronic Resource]. — URL: https: / / ridleyengineering. com / design - center - ridley - engineering. html (visited on 01/20/2024).

122. Model 310. 0.01 Hz - 30 MHz Frequency Response Analyzer. Analyzer Software Version 3.2 [Text] / AP Instruments. — Santa Rosa, CA, 2018.

123. Сиберт, У. М. Цепи, сигналы, системы. Часть 2. [Текст] / У. М. Сиберт. — М. : Мир, 1988.— 168 с.

124. Design Rules of the DC-DC Voltage Converter with the Two-Loop Feedback System [Text] / R. L. Gorbunov [et al.] // Proceedings - International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM). — 2018.

125. Севостьянов, Н. А. Импедансный подход к синтезу системы стабилизации преобразователей постоянного напряжения в составе энергопреобра-зующей аппаратуры космических аппаратов [Текст] / Н. А. Севостьянов, Р. Л. Горбунов // Электропитание. — 2019. — Т. 3. — С. 15—27.

126. Sevostyanov, N. A. Experimental Verification of the Impedance-Based Approach for the Feedback Loop Design of the DC-DC Converter [Text] / N. A. Sevostyanov, R. L. Gorbunov// Proceedings - International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM). — 2019.

127. The application of standardized control and interface circuits to three DC to DC power converters [Text] / Y. Yu [et al.] // 1973 IEEE Power Electronics Specialists Conference. — 1973. — P. 237—248.

128. Modelling and analysis of switching DC-to-DC converters in constant-frequency current-programmed mode [Text] / S. Hsu [et al.] // IEEE Power Electronics Specialists Conference. — 06/1979. — P. 284—301.

129. Ridley, R. B. A New Small-Signal Model for Current-Mode Control [Text] : PhD thesis / Ridley R. B. — Blacksburg, Virginia : Virginia Polytechnic Institute and State University, 11/1990.

130. Александров, В. А. Оптимизация размещения полюсов в одномерной системе управления [Текст] / В. А. Александров // Автоматика и телемеханика. — 2021. — № 6. -С. 102-123.

131. Step-by-Step Design of the Digital Closed Loop System of the Boost Voltage Converter [Text] / N. A. Sevostyanov [et al.] // Proceedings - International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM). — 2018.

Вывод математической линеаризованной модели неизолированного реверсивного двухтактного преобразователя в режиме разряда

аккумуляторной батареи

При выводе математической линеаризованной модели преобразователя принимались следующие допущения:

- транзисторы и пассивные элементы идеальны;

- все соединительные линии как внутри, так и вне преобразователя имеют нулевой импеданс;

- АБ моделируется идеальным источником постоянного напряжения.

L1

VT1 - 1 VT2 - 0

£ со

VT1 - 0 VT2 - 1

(а)

АБ

иаб

С

кф

:>

я

со со

^ со

г Ш

п

АБ

иаб

С

кф

-Е>-

я

со й

г X

п

(б) (в)

Рисунок А.1 — Неизолированный реверсивный двухтактный преобразователь: а) полная схема, б) схема замещения на 1-м такте, в) схема замещения на 2-м такте

На рисунке А.1 изображена схема преобразователя и соответствующие ей схемы замещения на 1-м (УТ1 проводит, УТ2 не проводит) и 2-м (УТ1 не проводит, УТ2 проводит) тактах преобразования. Схемы замещения представляются обыкновенными дифференциальными уравнениями, записанными в нормальной форме Коши

dzь(t)

и^— = "аб(0

Такт 1: <

С

кф"

d t

du(t) и^) _

Ь

Такт 2:

d t

Rн

- Ш,

dt

du(t)

= иаб(0- u(t),

u(t)

Скф^ = Ш - R--Ш-

н

н

и

и

Нормальная форма Коши предполагает разрешение уравнений относительно производных переменных состояния, однако здесь и далее сохраняются коэффициенты при производных для соответствия первоисточнику методики вывода линеаризованной модели [88]. Полученные системы дифференциальных уравнений далее анализируются методом пространства состояний, поэтому записываются в матричной форме.

Дифференциальные уравнения в матричной форме для 1-го такта длительностью d(t)Tк, где d(t) - коэффициент проводимости УТ1 и он же коэффициент заполнения импульсов управления УТ1, Тк - период повторяемости коммутаций (далее - период коммутаций) транзисторов

Ll 0 0 Скф

к"

'аш'

дг

ди(г) дг

ёх(г)

"дТ

00 0 -Я"1

X

т

и (г)

Х(г)

+

0 1 -1 0

"В"

Ш

иаб(г)

"ко

(А.1)

т 1 0 т + 00 Ш

и (г) 0 1 и (г) 00 иаб(г)

у(г)

С1 х(г)

у(г)

и для 2-го такта длительностью (1 - d(г)) Тк, где (1 - d(г)) - коэффициент проводимости УТ2 и он же коэффициент заполнения импульсов управления УТ2

Ll 0

0

Скф

к1

'дк(г)' дг ди(г) дг

дХ(г)

"дТ

0 -1

1 -^н-1

Нг) и (г)

Х(г)

+

0 1 -1 0

в2

Ш иаб(г)

Т(5)

(А.2)

т 1 0 т + 00 Ш

и (г) 0 1 и (г) 00 иаб(г)

у(г)

х(г)

у(г)

где х(г) - вектор переменных состояния;

у (г) - вектор выходных переменных;

у(г) - вектор независимых источников напряжения и тока;

К - матрица индуктивностей и ёмкостей;

А - системная матрица;

В - матрица при независимых источниках;

С - матрица выхода; Е - матрица прямой связи.

В данном случае у(0 = х(0, поэтому Y = X и у(0 = Х(0.

Для получения линеаризованной модели преобразователя необходимо последовательно провести две процедуры: усреднение и линеаризация. Усреднение осуществляется в предположении, что времена переходных процессов усреднённых за период коммутаций переменных состояния существенно выше самого периода коммутаций. Каждая параметрическая матрица усредняется за период коммутаций с подстановкой по методу наложения d(t) = D + d(t) (см подраздел 2.2.1)

ВД = КЩО + К2 (1 - d(t)) = (К1 - К2) D + К2 + (К1 - К2) d(t),

4-V-'

К К'

а

(t) = Ald(t) + А2 (1 - d(t)) = (Л1 - А2) D + А2 + (А1 - А2) d(t),

А) А'

Ь^) = Bld(t) + В2 (1 - d(t)) = (В1 - В2) D + В2 + (В1 - В2) Щф,

В в'

c(t) = Cld(t) + С2 (1 - d(t)) = (С1 - С2) D + С2 + (С1 - С2) d(t),

С С'

e(t) = Е1 d(t) + Е2 (1 - d(t)) = (Е1 - Е2) D + Е2 + (Е1 - Е2) d(t).

Е Е'

Усреднённые дифференциальные уравнения в матричной форме запишутся в том же виде, в каком записаны (А.1) и (А.2), с подстановкой соответствующих усреднённых матриц к^), а(0, Ь(0, c(t), e(t)

Кdx(t) + К'dx(t) d(t) = Ах(0 + Bv(t) + А'х(^(0 + B'v(t)d(t),

d t dt (А.3)

y(t) = Cx(t) + Ev(t) + С'х(^Щ^) + Е^ЩГ).

После усреднения полученная система матричных дифференциальных уравнений линеаризуется в окрестности рабочей точки. При разложении переменных по методу наложения, Д^ = F в системе (А.3) возникнут нелинейные составляющие высших порядков, записанные в форме произведения двух малых отклоненийДля задачи линеаризации этими составляющими необходимо пренебречь, что эквивалентно разложению уравнений в ряд Тейлора и взятию

ас составляющая ёс составляющая

(А.4)

первых двух его членов. Тогда (А.3) преобразуется

ёс составляющая

К^^ = ЛХ+БУ + Лх(0 + БХ(0 + (Л'Х + Б'У) ¿(0,

ш ч--/

ас составляющая

ёс составляющая

Y + у(0 = СХ + ЕУ + Сх(0 + ЕУ(0 + (С'Х + Е'У) ё(Г). ^^ 4-^-'

ас составляющая ас составляющая

Напряжение АБ иаб(0 в ходе зарядно-разрядного процесса и при деградации АБ изменяется медленнее электромагнитных процессов в преобразователе, поэтому принимается, что напряжение АБ не является источником малых возмущений, иаб({) = 0, а является одним из определяющих рабочую точку параметров, "аб(0 = иаб.

Полученная система (А.4) описывает как статический (ёс составляющие), так и динамический (ас составляющие) режимы работы преобразователя. Параметры рабочей точки определяются статическим режимом при обнулении ас составляющих и разрешении системы относительно X и Y

Y

V = -Л-1 Б 0

и иаб.

иабки

Х

У

где ки == и I иаб = (1 - 1 - статический коэффициент передачи преобразователя по напряжению.

Линеаризованная модель соответствует динамическому режиму при обнулении ёс составляющих. В работе для анализа и синтеза системы управления применяются частотные методы и математический аппарат передаточных функций, поэтому система уравнений (А.4) преобразуется по Лапласу с нулевыми начальными условиями в систему алгебраических уравнений с комплексной переменной 5, разрешённую относительно х(5) и у 5

у 5 = х(я) = (>К - А) 1 ВХ(я) + (>К - А) 1 (А'Х + Б'У) ¿(0,

(А.5)

Wxv(s)

Wxd(s)

откуда можно получить передаточные функции преобразователя как элементы матричных передаточных функций Wxv(5) и Wxd(s).

Передаточная функция от управления d(s) к току реактора iL(s)

def def №) Wid(s) == Wxd.1(s) ==

d(s)

ln(s)=0

2^аб k3

Rh

1 +

Wc.2

ss

1 + ^^ + — WqQq \ WQ

где ыс.2 = 2 ^иСкф) 1; и0 = (ЬеСкф) - частота свободных колебаний преобразователя; Ос = R н\/СкфЬ-1 - добротность преобразователя; Ье = Ь1к,2 - эффективная индуктивность преобразователя.

Передаточная функция от управления Щ^) к напряжению ^^

def def u(s) Wud(s) == Wxd.2(s) == 3—

d(s)

= иабки

Wrhp

'n(s)=Q

ss 1 + + — WqQq \ Wq

(А.6)

где wrhp = RhL-1 - частота сопряжения правого ноля (Right Half-Plane - RHP). Передаточная функция от тока нагрузки ^(s) к току реактора iL(s)

def def №) Wii(s) = Wxv.11 (s) =f =—

^(s)

ku

d(s)=Q s is

1 + + — WqQq \ Wq

2

Передаточная функция от тока нагрузки /п(б) к напряжению U(s) (выходной импеданс)

БЬе

def def u(s) Z(s) = Wxv.21 (s) =

Us)

d(s)=0 s / s 1 +-+

2

(А.7)

WqQq \ Wq

Передаточная функция от тока реактора iL(s) к напряжению U(s) (трансим-

педанс)

def u(s) Wui(s) ==

H(s)

= WUd(s) = Rh íп(s)=Q Wid(s) 2иабки

Wrhp

Wc.2

s

s

1

2

s

1

s

С учётом введённых обозначений передаточных функций матричное уравнение (А.5) можно раскрыть в систему алгебраических уравнений

представляемую также в форме структурной схемы на рисунке 2.3, б.

Для определения параметров канонической линеаризованной схемы замещения преобразователя (рисунок 2.3, а) достаточно описать её алгебраическими уравнениями, разрешёнными относительно и(5) и ¡ь^), после чего приравнять функции, стоящие в них перед ё(5) и ¡п(5), соответствующим функциям из системы уравнений (А.8). Поскольку это достаточно тривиальная задача, здесь приводится лишь результат её решения:

Хотя управляемость преобразователя трудно поставить под сомнение, поскольку задачи управления им решаются уже не одно десятилетие [127], однако формально её можно проверить критерием Калмана. Для ас составляющих системы 2-го порядка (А.4) (Сс составляющие занулены) ранг матрицы управляемости

что доказывает, что преобразователь является полностью управляемым объектом.

¡Ь (5) = ё(5)ШМ(5) + ¡п(5)^(5) и(5) = ~с1(5)Шиа(5)-1п(5Щ5),

(А.8)

О = [К-1 (Л'Х + Б'У) К-1АК-1 (Л'Х + Б'У)] ,

равен 2, так как определитель матрицы

Параметрический синтез регулятора мгновенного тока реактора силовых

модулей аккумуляторных батарей

Компенсация наклона

СМ АБ

Компаратор

v______________________>

Рисунок Б.1 — СМ АБ с РСМС регулятором

На рисунке Б.1 — пример контура тока с РСМС регулятором с постоянной частотой коммутаций для неизолированного реверсивного двухтактного преобразователя. Принцип РСМС следующий (рисунок Б.2, а): осциллятор с периодом Тк формирует фронт импульса управления транзистором УТ1 и ток нарастает, затем уставка на ток iL,УcT(t) и сам ток iL(t) сравниваются компаратором и, в случае превышения вторым первого, компаратор формирует срез импульса управления транзистором УТ1 и ток спадает. Импульс управления транзистором УТ2 инвертирован по отношению к импульсу управления УТ1. Таким образом осциллятор обеспечивает постоянную частоту коммутаций транзисторов ^ = (Тк) \ а компаратор — гарантированный спад тока при превышении им уставки.

Известна проблема неустойчивости (возникновение предельных циклов на половине частоты коммутаций) такого регулирования при коэффициенте заполнения больше 0,5 и также известен способ её разрешения добавлением компенсирующего пилообразного сигнала са (рисунок Б.1) с периодом Тк и углом наклона та [128]. Механизм возникновения предельных циклов в РСМС регуляторе и его стабилизация компенсацией наклона подробно описаны в литературе [88], здесь же внимание уделено только параметрическому синтезу регулятора.

Для решения задачи синтеза необходимо определить математическую модель РСМС регулятора. Наиболее точной считается линеаризованная модель, разработанная исследователем Политехнического института штата Вирджинии

О_о_0_1

sync

T

Силовая часть СМ

т.

Г PCMC-регулятор 1

i

1Ь.уст

dT

s2

I]_Q.

П_Q

(а)

t

(б)

Рисунок Б.2 — а) Диаграммы сигналов синхронизации и компенсации, тока реактора, уставки тока и импульсов управления транзисторами при PCMC и б) структурная схема линеаризованной

модели СМ с PCMC регулятором

(США) Raymond B. Ridley [129], структурная схема которой для режима непрерывных токов представлена на рисунке Б.2, б. Исследуется только режим непрерывных токов, поскольку в рассматриваемых топологиях реверсивных преобразователей режим прерывистых токов не возникает.

В преобразователях с ШИМ выходное напряжение изменяется достаточно медленнее тока реактора СМ АБ, чтобы на периоде коммутаций принять его постоянным. В таком случае Fv « 0, а коэффициент Fm определяется углами наклона участка нарастания тока тн и сигнала компенсации ma [129]

Fm =

и

тн + та

При тех же допущениях передаточная функция ^¿(б) упрощается до идеального интегратора с коэффициентом, определяемым углами наклона участков нарастания тн и спада тс тока

Wid(s)

тн + тс

s

(Б.1)

а ток нагрузки перестаёт оказывать влияние на ток реактора, то есть W,,(s) « 0.

ФункцияHe(s) представляет собой обратную передаточную функцию интерполятора нулевого порядка (Zero-Order Hold - ZOH) со звеном чистого запаздывания на полный период

He(s) = H^e^

sTK

1- e

-sT

e

-sTK

t

и с высокой точностью аппроксимируется полиномом 2-го порядка

2

S ( s He(s) « 1+— + -UnQz \ U

(Б.2)

где Qz = -2/n; Un = nfK.